摘要：面对日益严重的土壤重金属污染问题，如何治理土壤重金属并了解其在土壤中的地球化学过程长期困扰着研究者们。基于传统的异位分析过程会破坏土壤空间异质，不具备反映真实土壤实时环境的能力。一种更简便、有效的二维成像技术—平板光极技术被开发出来，并应用于以高分辨率研究异质沉积物和土壤中的生物地球化学过程，特别是沉积物—水界面处的生物地球化学过程。沉积物中的成分随深度的变化通常被认为是相对稳定的。不同的平面光极技术，包括用于多分析物的复合平面光极以及平面光极与薄膜扩散梯度（DGT）的组合，已被开发并用于研究O2、pH值、CO2二维动态分布。本文通过总结国内外最新研究成果，对平板光极的装置系统组成、成像定量方法展开详细阐述，重点总结了平面光极在土壤重金属修复研究领域中的主要应用。

　　关键词：土壤重金属；平板光极；二维成像；土壤微参数

　　近年来，伴随着我国快速发展的农业和工业，土壤重金属污染问题日益凸显。其中，采矿作业、化工生产（如电镀、金属冶炼等）、固体废物处理不当、农业生产过程农药的滥用等，都是导致重金属污染土壤的原因。影响土壤中重金属的迁移的因素有很多，如土壤理化性质，包括土壤质地、pH值、有机质含量和黏土矿物等。因此，了解重金属在土壤中的迁移转化规律是修复土壤重金属的重要部分。由于土壤具有显著的时空异质性，而研究土壤理化性质的常规方法往往是依靠异位取样测定，采集样品的过程会破坏土壤的原有结构，忽略了土壤的微观异质性，无法真实地反映土壤实时环境的高度异质性特点。为真实有效的反映出土壤/沉积物重金属存在的形态，研究者们仍不断寻求新的方法。

　　为了方便研究人员更好地研究土壤地球化学过程，上世纪90年代，Glud等人开发了一种简单、强大的二维成像技术，称为平面光极技术（PO），用于测量底栖生物群落中的精细二维氧分布。该技术是指基于特定指示剂的发光信号变化来反映分析物信息。

　　本文简要介绍了平面光极成像的基本原理、构成装置及其成像定量方法，同时探讨了其独特的特性。在此基础上，本文重点总结了平面光极在土壤重金属修复研究领域的多元化应用，并详细阐述了平面光极在土壤研究领域的各项成果。这些探讨和总结旨在为土壤重金属污染修复相关的理化参数微观特性研究提供理论基础和实践指导。

　　1平板光极技术

　　1.1平面光极成像原理与方法

　　土壤修复领域的研究人员一直寻求原位分析方法，平板光极技术就是为满足原为分析需求而诞生的一项技术。荧光传感是该技术的原理，荧光传感系统和信号捕集系统是其主要构成。荧光传感系统中，平板光极薄膜与激发光源协同工作，其中激发光源为荧光染料提供必要的激发能量，从而引发荧光反应。在平板光极技术中，荧光染料是关键。这些染料具有对特定分析物的特异性效应，当与分析物结合时，会发生荧光性质的改变。通过监测这些荧光信号的变化，可以推断出分析物的存在和浓度。使用图像分析软件（如ImageJ）对后期数据进行处理，分析荧光点所反映待测物信息，以得到待测物质的时空二维成像。通常激发光源包括特殊波段的LED灯和卤素灯/氙灯，LED灯具有成本低廉、光谱频带窄、不易受外界干扰的特点；卤素灯/氙灯波长范围广，可以满足不同参数对不同波长的激发需求，需配合特定滤光片使用。信号捕集系统则由电脑和信号捕集设备构成，电脑在该系统中的功能是连接各硬件组件、调试并运行软件服务（软件通过商业途径获得），对数据进行处理分析。

　　1.2光极膜

　　平板光极膜包括固定在聚合物膜中的光学指示剂，并由透明塑料片支撑。它通常由三层组成：透明支撑片、传感膜和光学滤层。

　　支撑片主要作为物理支架来支撑和固定软传感聚合物膜。支撑片必须是透明的，耐有机溶剂，并且便于传感器膜的制造、运输、处理和部署。最常用的支撑片是无尘聚酯支撑箔（PET）。在支撑片的底部涂覆附加光学滤层，光学滤层可以吸收串扰光从而可以抑制串扰效应。

　　传感膜是平面光极的关键部件，这些薄膜通常由特定的荧光染料制成，这些染料在与分析物发生相互作用时，会发生荧光性质的改变，如荧光强度的增强或减弱、荧光波长的位移等。这些变化与分析物的性质和浓度密切相关，因此可以通过检测荧光信号的变化来推断分析物的存在和浓度，决定了传感器的特性，包括灵敏度、选择性、动态范围、响应时间和传感器稳定性。指示剂、参比染料、聚合物基质和一些光散射颗粒集成到固体聚合物层中，以促进传感器与水介质中溶质的相互作用。其中，发光指示剂是传感膜的关键成分，也是扩展平面光极技术应用的研究核心。

　　传感层中的发光信号增强有助于提高信噪比，减少背景荧光或环境光的干扰。然而，增加指示剂染料浓度以增强发光信号可能会导致染料迁移和聚集，甚至自猝灭。因此，确定提高传感器亮度的最有效方法非常重要。已开发出两种主要方法来增强传感器的亮度。

　　（1）光散射颗粒，如TiO2、SiO2、金、银或金刚石等，将这些光散射颗粒被包埋在基质材料中。值得关注的是，TiO2也有光催化剂的作用，如果支撑层的折射率高于最终的折射率，则嵌入在非常薄的传感层内的指示器发出的大部分发光往往会被捕获在支撑层内并沿着支撑层引导。使用TiO2等光散射颗粒可能会扰乱光波导配置，导致偏离的光更亮，并降低实际空间分辨率。

　　（2）天线染料基于光收集，它有效地收集激发光能量并将能量转移到指示剂。已开发的有QDs、MY、香豆素等，可有效吸收激发光且可以传递给发光指示剂以增强发光信号。目前这种方法已应用于O2、pH值和NH3的成像。这种增加荧光传感器亮度的方法简单、灵活，并且影响动态的范围很小。

　　2成像定量方法

　　目前，主要通过CCD设备捕捉目标光信号，随后进行深入分析，以获取荧光强度或荧光寿命信息，从而实现对分析物的定量。基于这些定量依据，平板光极所发展的定量手段可划分为荧光强度型、荧光比率型以及荧光寿命型。
       2.1荧光强度定量

　　荧光强度定量是通过提取荧光染料在每个像素点的荧光强度，并依据标线来计算分析物的浓度分布信息。这种方法简便易行，但存在一些因素会干扰提取的精确度，比如易受背景环境、荧光指示剂分布不均等。为了降低测量误差，一种常见的方法是在传感膜上覆盖光学隔离层。此外，使用前后对光学传感器进行像素校准也是必要的步骤。然而，这些改进措施会不可避免地增加光极的响应时间和测定程序的复杂性。为了平衡精度和效率，需要综合考虑这些因素的影响，并可能需要在某些情况下做出权衡。这在一定程度上限制了荧光强度定量在实际应用中的便捷性。

　　2.2荧光强度比例定量

　　比率测量法通常涉及荧光波长比率定量和RGB（红、绿、蓝）颜色比率定量。为了突破荧光强度在实际应用中的局限性，研究者们创新性地提出了荧光比例型检测手段，这通常需要利用双激发荧光波长。比率定量法的关键在于，通过记录两个不同激发波长下的两幅发射图像强度比值，从而精确测定待测分析物的浓度。这种方法的引入，极大地提高了荧光检测的准确性和可靠性。光极传感膜响应常受到外界环境及染料分布不均的干扰，而使用这种荧光强度比例的方法可以克服。为了提高分析的准确性和便于分离荧光信号，通常会引入一种参比染料，这种染料不与待测分析物反应且具有较长的发射波长。此外，采用波长比率定量法不仅能够降低外界杂光的影响，还能解决发光指示剂分布不均的问题，从而提高整个分析过程的稳定性和准确性。若荧光染料不具备双激发或双发射特性，则可以引入一种对分析物不敏感的参比染料。这种参比染料的发射波长与荧光染料有较大的差异，有助于拆分荧光信号的RGB值。这种方法不仅提高了分析的准确性，还有助于更好地理解和解释荧光信号的变化。利用单个图像中红、绿、蓝三种颜色通道之间的强度比值，我们可以进行定量分析物质的浓度。目前O2和pH值等关键参数的测定主要基于该方法来测定，为相关领域的研究提供了帮助。
       2.3荧光寿命定量

　　荧光寿命，指的是电子从激发态返回基态所需的平均时间。在实际应用中，由于荧光寿命的短暂和难以捕捉，通常测量的是磷光颗粒的寿命。常用的技术通常为频域测定法（FD）和磷光寿命测定法（RLD）。频域测定法主要利用不同荧光素的荧光寿命差异，计算激发光与荧光之间的相位角和解调因子，从而能够精确测定荧光寿命；磷光寿命测量法则通过记录磷光衰减曲线（即强度随时间的变化），将其划分为至少两个等宽的区域，并利用这些区域间的强度降幅来计算发射寿命。与传统的基于荧光强度的定量方法相比，基于荧光寿命的定量方法无需依赖光隔离层、校准曲线的稳定性以及传感膜和激发源的均匀性，因此在某些应用中更具优势。因此在信号准确度方面具有显著优势。

　　3平面光极在修复土壤重金属中的应用

　　在环境科学研究中，微界面如根际或生物扰动的动态变化过程一直受到监测技术的限制。传统方法因其侵入性特性，可能会对微界面造成干扰，从而影响数据的完整性和可靠性。相比之下，平板光极技术以其实时监测和非侵入性优势，确保了每个像素点在时间维度上的数据一致性，并在空间尺度上提供了高分辨率的监测能力。这一技术的应用，为环境科学领域的研究提供了新角度。

　　在环境领域，O2、pH值及CO2光极技术得到了广泛应用。众多研究利用这些技术观察了根系泌氧、根际酸化或碱化等效应。为确保根际与光极膜的紧密接触，研究者们专门设计了根箱，可用于培育并观察植物在土壤中的生长情况。这种根箱的有可拆卸面，一般用于研究相关参数的光极膜就黏附在该面，被研究的植物根际也与可拆卸面贴合。在实验室条件下，利用这些设备可以监测植物根际中相关指标在生长周期内的变化，为环境科学提供了宝贵的实验数据。

　　3.1土壤O2光极的应用

　　土壤中的O2含量对作物根系的呼吸和土壤微生物活性等因素具有重要影响，并且与温室气体排放密切相关。借助高时空分辨率的平面光极技术，研究人员成功地对根与土壤、水与土壤等微小区域内的O2动态变化过程进行了原位观测。目前，O2平面光极已成为应用最广泛、技术最成熟的一类监测工具，为环境科学领域的研究提供了有力支持。

　　3.1.1植物根系

　　利用高时空分辨率的O2光极技术来监测根际氧的动态变化，是深入理解植物根系泌氧的机理及其在根际氧化还原过程中的重要研究课题。这种技术能够提供精准的数据，帮助我们更全面地了解植物与土壤之间的相互作用及其对环境的影响。研究人员利用O2平面光极和高分辨率透析（HR-Peeper）研究了南方松根际微尺度O2动态分布。研究结果表明，根据根系生长阶段的不同，根部O2泄漏的分布存在很大差异，O2泄漏部位逐渐从整个新兴主根转移到主根尖端，随后转移到新兴侧根。侧根持续释放O2，导致侧根表面形成铁斑，通过铁斑在根际的吸附降低磷的流动性。这项研究从微观尺度证明根际的O2浓度会随时空发生变化，并且它对沉积物中养分的去除具有重要作用。

　　3.1.2水土界面

　　利用O2平面光极，可以实时监测土壤与地下水位界面中O2含量和分布情况。研究表明，利用平面光极技术，构建集3种膜于一体的水/沉积物模拟体系，并研究颤蚓扰动作用下体系O2的二维分布。研究结果表明，无生物扰动体系中上覆水和沉积物各参数变化较小。

　　3.2土壤pH值光极的应用

　　pH值光极技术可以实时监测土壤和根-土界面pH值的动态变化，并且不会干扰土壤的微环境体系。研究人员使用平面光极技术量化了新鲜和老化生物炭对土壤pH值的局部影响，并可视化微尺度的时空变化。生物炭的施用对土壤pH值产生显著的局部影响，生物炭颗粒周围的pH值梯度在24h内逐渐形成，风干层pH值的时空变化与生物炭特性密切相关。相关性和冗余分析表明，生物炭EC值是决定其内的加热圈半径和pH值的主要因素。有研究使用pH值光极，研究高山矮芥菜、玉米和黑麦草这三种植物生长在受微量金属污染的土壤上根际pH值的变化，结果表明高山矮芥菜和黑麦草将其根际pH值分别提高了1.7和1.5个单位，而玉米则将其根际pH值降低了0.7个单位。高山矮芥菜和黑麦草根部的碱化是永久性的，不限于特定的根部区域，而玉米根部的酸化仅限于伸长区域，且只是暂时的。

　　3.3土壤CO2光极的应用

　　传统的土壤CO2分析技术在时空分辨率方面存在局限性，难以准确获取微小区域（如根际）内的CO2浓度及其异质分布。平面光极则能够连续地获取土壤中CO2的浓度分布信息，并通过成像反馈二维分布信息，使实验结果更准确及时。有研究使用CO2光极测量在三种不同体积土壤含水量（VWC）下玉米根部周围的CO2浓度。研究结果显示，土壤WC的微小变化可能会强烈影响CO2测量。然而，只要土壤湿度保持恒定，CO2光极可用于测量潮湿土壤样品，以量化处理或土壤区域之间CO2浓度的相对差异。还有研究通过平板光极检测了普通沉水植物苦草根际CO2的时空分布，发现根际是CO2的热点区域，变化趋势与根际O2相反。

　　4展望

　　大量的应用研究已经充分验证了平面光极在沉积物和土壤生物地球化学过程研究中的显著成果。平面光极以其非侵入性、实时性、高分辨率和用户友好性等特点，成为各种原位分析研究的理想工具。传统的采样方法或侵入性探测通常会破坏原有土壤结构，测量结果的可靠性、准确性、真实性不能得到满足，捕捉土壤中热点区域和时刻的动态变化则更为困难。与此相比，平面光极技术的优势在于其能够在不破坏土壤结构的情况下，实时、准确地获取关键参数的微尺度变化，为深入理解土壤生物地球化学过程提供了有力支持。平板光极技术的诞生填补了O2和pH值等指标高分辨率研究的空白，同时为研究人员探索土壤微参数提供了有力支撑，使原位分析土壤微参数二维动态分布成为了可能。平板光极技术凭借其独特的优势，如今已在环境、化学、生物、医学及食品安全等多个领域得到广泛应用，充分展示了其巨大的应用潜力和广阔的发展前景。同时，研究人员们也在不断创新，开发出能够同时分析多个参数并且能够测量各种不同指标的多参数光极技术。这为科学研究提供了更广阔的可能，有望在未来推动相关领域的深入发展。